(57)【要約】【課題】基板に対して略垂直な壁面を有する凹凸形状を形成する。【解決手段】感光性樹脂層に対して、マイクロレンズを介して平行光を露光することにより、上記感光性樹脂層に略垂直な壁面を有する凹凸形状に硬化させる露光工程において、感光性樹脂層の、凹部となる部分４２から凸部となる部分４１へと露光量を不連続に増加させ、さらに、凸部の縁４１ａとなる部分における露光量Ｉｙを、凸部の中心４１ｂとなる部分の露光量Ｉｚより大きくする。これにより、凹凸の壁面の内外での露光量の変化が急峻になるため、壁面が略垂直になる。【選択図】  図１
2005055549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板にマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程と、
上記マイクロレンズの焦点位置に感光性樹脂層を形成する感光性樹脂層形成工程と、
上記感光性樹脂層に対して、上記マイクロレンズを介して露光することにより、上記感光性樹脂層を上記透明基板に対して略垂直な壁面を有する凹凸形状に硬化させる露光工程と、を含み、
上記露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部の縁となる部分における露光量と、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量との差を、所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差よりも大きくすることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
上記感光性樹脂層がポジ型感光性樹脂からなり、
上記露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部となる部分から凹部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量を、凹部となるその他の部分の露光量より増大させることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】
上記感光性樹脂層がネガ型感光性樹脂からなり、
上記露光工程において、感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凹部となる部分から凸部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量より増大させることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
上記露光工程において、上記凸部となる部分の平均露光量と、凹部となる部分の平均露光量との差を、所望の突起の高さを形成するために必要な露光量の差と等しくすることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項５】
上記感光性樹脂層形成工程において、感光性樹脂層の厚さを、上記凹凸形状の一番厚い部分の厚さと等しくすることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項６】
上記露光工程において、上記凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量の１．５倍以上４倍以下とすることを特徴とする請求項３から５の何れか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項７】
さらに、上記マイクロレンズと感光性樹脂層との間に中間基板を形成する基板形成工程と、
上記露光工程により形成されたパターンをドライエッチングすることにより、上記中間基板に転写する転写工程と、を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載のパターン形成方法により得られる２層構造マイクロレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズアレイを用いたパターン形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子および液晶プロジェクタ、または光通信などの分野においては、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイなどのように、少なくとも一表面部に球面部分またはプリズムなどが形成された透明基板が使用されつつある。
【０００３】
例えば、液晶表示素子を用いてカラー画像を表示する投影型液晶表示装置においては、特許文献１に示されるようなマイクロレンズアレイを用いた単板式液晶素子が提案されている。
【０００４】
液晶表示素子を用いた投影型カラー画像表示方式では、従来から、三原色に応じて液晶表示素子を三枚用いる三板式と、一枚のみを用いる単板式とがある。前者の三板式は、白色光を赤・緑・青の三原色の色光にそれぞれ分割する光学系と、各色光を制御して画像を形成する三枚の液晶表示素子とをそれぞれ独立に備えており、各色の画像を光学的に重畳してフルカラー表示を行うものである。この三板式の構成では、白色光源から放射される光を有効に利用でき、かつ色の純度も高いという利点があるが、上述のように色分離系と色合成系が必要なため、光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、低コスト化及び小型化の点では、後述の単板式に比べて一般的に不利である。
【０００５】
これに対して、後者の単板式は、液晶表示素子を一枚のみ用いる構成であり、モザイク状、ストライプ状等の三原色カラーフィルタパターンを備えた液晶表示素子を投影光学系によって投影するものがある。単板式は使用する液晶表示素子が一枚ですみ、かつ光学系の構成も三板式に比べて単純になるので、低コスト、小型の投影型システムに適している。
【０００６】
このような単板式の液晶表示素子は、上述した特許文献１のように２層構造のマイクロレンズを用いることで、吸収型のカラーフィルタが不要となり、光の利用効率が向上するだけでなく、マイクロレンズアレイを通過した後の各色の主光線が略平行になり、従って、投影レンズに達するまでの各色の主光線の拡がりが小さく、投影レンズでのケラレによる光量低下がなく、極めて明るい画像を提供することができる。
【０００７】
この２層構造のマイクロレンズの作製方法としては、１層目のマイクロレンズと２層目のマイクロレンズとを、同一光軸上に配置し、接着、固定する方法がある。
【０００８】
また、一般的なパターン形成方法として、感光性樹脂をパターンに応じて露光させることで、所望のパターン形状を形成する方法がある。この場合に、基板上に備えられたマイクロレンズを用いて感光性材料層を露光することで、マイクロレンズの焦点位置に微細な露光分布にて照射し、微細なパターン形成が行われることも知られている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１８１４８７号公報（１９９５年７月２１日公開）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の２層構造のマイクロレンズの作製方法では、組み合わせレンズの収差を小さくするために、１層目のマイクロレンズと２層目のマイクロレンズとの貼り合わせ工程において、１層目のマイクロレンズと２層目のマイクロレンズとの光軸の位置ずれを極力小さくする必要があり、そのためには複雑な調整機構を用いて光軸調整を行わなければならず、生産性に問題があった。
【００１１】
また、感光性樹脂を露光してパターン形成する方法においては、所望の３次元のパターン、特に、感光性樹脂が塗布された基板に対して、略垂直な壁面を有するパターンを得る方法は知られていない。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の３次元のパターンを得ることができるパターン形成方法を提供することにある。
【００１３】
また、本発明は、光軸調整を簡単化し、製造工程の簡略化を実現できる２層マイクロレンズを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のパターン形成方法は、上記の課題を解決するために、透明基板にマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程と、上記マイクロレンズの焦点位置に感光性樹脂層を形成する感光性樹脂層形成工程と、上記感光性樹脂層に対して、上記マイクロレンズを介して露光することにより、上記感光性樹脂層を上記透明基板に対して略垂直な壁面を有する凹凸形状に硬化させる露光工程と、を含み、上記露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部の縁となる部分における露光量と、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量との差を、所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差よりも大きくすることを特徴としている。
【００１５】
上記「略垂直な壁面を有する凹凸形状」とは、少なくとも略垂直な壁面を有する形状であればよく、ここでいう凹部は上記壁面に続く面であって壁面より透明基板に近い面であり、凸部は上記壁面に続く面であって壁面より透明基板から遠い面である。
【００１６】
なお、上記感光性樹脂層は露光量の対数に比例して、硬化する厚さが変化するものであり、ここで言う「所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差」とは、この比例関係から導き出された理論上の値である。
【００１７】
上記の構成によれば、マイクロレンズを透過した光を用いてパターン形成がされるため、微細な露光分布で感光性樹脂を露光し、微細なパターンを形成できる。また、このパターンを用いて別のマイクロレンズを形成すれば、２層の同一光軸上に配置されたマイクロレンズを形成することができる。これによれば、複雑な調整機構を必要とせずに、２層のマイクロレンズの光軸調整を高精度で行える。
【００１８】
さらに、凹凸形状のパターンを形成する際に、凹部と凸部との境界の内外での露光量の差を、上記所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差より大きくすることで、露光量分布の立ち上がり、すなわち露光量の変化がより急峻になるので、パターニングされた凹凸形状の壁面を略垂直とすることが可能となる。
【００１９】
また本発明のパターン形成方法は、上記感光性樹脂層がポジ型感光性樹脂からなり、上記露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部となる部分から凹部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量を、凹部となるその他の部分の露光量より増大させることを特徴としている。
【００２０】
感光性樹脂としてポジ型感光性樹脂を用いる場合、上記感光性樹脂層は露光量が多い部分ほど厚みが薄くなる。したがって、感光性樹脂層としてポジ型感光性樹脂を用いる場合には、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部となる部分から凹部となる部分へと露光量を不連続的に増大させることで、凹凸形状を形成できる。さらに、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量を、凹部となるその他の部分の露光量より大きくすれば、露光量分布の立ち上がりが急峻になるので、パターニングされた凹凸の壁面を略垂直とすることが可能となる。
【００２１】
また本発明のパターン形成方法は、上記感光性樹脂層がネガ型感光性樹脂からなり、上記露光工程において、感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凹部となる部分から凸部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量より増大さを特徴としている。
【００２２】
感光性樹脂としてネガ型感光性樹脂を用いる場合、上記感光性樹脂層は露光量が多い部分ほど厚くなる。したがって、感光性樹脂としてネガ型感光性樹脂を用いる場合には、感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凹部となる部分から凸部となる部分へと露光量を不連続的に増大させることで、凹凸形状を形成できる。さらに、凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量より大きくすれば、露光量分布の立ち上がりが急峻になるので、垂直な形状をパターニングすることが可能となる。
【００２３】
また本発明のパターン形成方法は、上記露光工程において、上記凸部となる部分の平均露光量と、凹部となる部分の平均露光量との差を、所望の突起の高さを形成するために必要な露光量の差と等しくすることを特徴としている。
【００２４】
上記のように、凸部に隣接する凹部となる部分、あるいは凸部の縁となる部分における露光量を増大させた場合、凹凸壁面の形状が略垂直に改善されると共に、増大させない場合に比べて露光量の増大分だけ厚さが若干変化する。例えば、凸部の縁となる部分における露光量を増大させた場合、凸部が若干厚くなる。
【００２５】
しかし、上記の構成のよれば、露光量増大分を厚さを別の部分で減らして、凸部となる部分の平均露光量と、凹部となる部分の平均露光量との差を、所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差と等しくするので、凹凸が所望の厚さとなる。このためには、凸部の縁となる部分における露光量を増大させた場合、凸部の中心付近となる部分における露光量を減少させ、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量を増大させた場合は、凹部となるその他の部分の露光量を減少させればよい。これにより、露光量の増大分が相殺されて所望の高さの凹凸形状を得ることができる。
【００２６】
また本発明のパターン形成方法は、上記感光性樹脂層形成工程において、感光性樹脂層の厚さを、上記凹凸形状の一番厚い部分の厚さと等しくすることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成の感光性樹脂層を用いることにより、凸部となる部分は感光性樹脂層の厚さをそのまま保持すればよく、厚さの制御がしやすくなる。例えば、凸部の縁となる部分における露光量を増大させる場合は、露光量をどんなに増大させても得られる凹凸形状は感光性樹脂層の厚さより厚くならないので、凹凸形状の厚さが所望の厚さより大きくなり、盛り上がってしまうことがない。
【００２８】
また本発明のパターン形成方法は、上記露光工程において、上記凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量の１．５倍以上４倍以下とすることを特徴としている。
【００２９】
上記の構成にて、凸部の縁となる部分における露光量を増大させることで、凹凸形状の壁面が略垂直で、凸部の厚さが均一となる。なお、露光量の増大量が上記範囲より小さいと、凹凸形状の壁面を略垂直とする本発明の効果が十分でなく、壁面が傾斜する。また、露光量の増大量が上記範囲より大きいと、増大した露光量の光を照射した部分が所望の厚さより盛り上がってしまう。
【００３０】
また本発明のパターン形成方法は、さらに、上記マイクロレンズと感光性樹脂層との間に中間基板を形成する基板形成工程と、上記露光工程により形成されたパターンをドライエッチングすることにより、上記中間基板に転写する転写工程と、をことを特徴としている。
【００３１】
これにより、感光性樹脂層に形成されたパターンを中間基板に転写でき、上記マイクロレンズ表面に形成された所望の材料からなる基板に、パターンを形成することが可能となる。
【００３２】
また本発明の２層構造マイクロレンズは、上記パターン形成方法により得られることを特徴としている。
【００３３】
これにより、容易に同光軸上に配された、透明基板と略垂直な壁面を有する２層のマイクロレンズが形成できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明のパターン形成方法に関する実施の形態について図１〜図７に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施の形態では、投影型の液晶表示装置に使用する２層マイクロレンズアレイ４０の形成方法を例に挙げて説明する。
【００３５】
まず、上記液晶表示素子を使用した投影型液晶表示装置７０について図２を用いて説明する。
【００３６】
投影型液晶表示装置７０は、白色光源１６、球面反射鏡１７、コリメートレンズ１９、ダイクロイックミラー１５Ｇ、１５Ｒ、１５Ｂ、２層マイクロレンズアレイ（２層構造マイクロレンズ）４０、液晶表示素子１８、集光レンズ２５、投影レンズ２０、投影スクリーン２１からなる。
【００３７】
白色光源１６は映像を投影する際の光源となる白色光を発するものである。球面反射鏡１７は、この白色光の一部を反射して、コリメートレンズ１９に導く。コリメートレンズ１９は、白色光源１６からの白色光、および球面反射鏡１７を介した白色光を通過させ、平行光にし、ダイクロミックミラー１５に導く。扇形に配置された３つのダイクロイックミラー１５Ｇ、１５Ｒ、１５Ｂは、白色光をＧ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｒ（Ｒｅｄ）およびＢ（Ｂｌｕｅ）の各色に分割し、それぞれ異なった角度で反射して、２層マイクロレンズアレイ４０に導く。２層マイクロレンズアレイ４０は、色毎に異なる角度で入射する光束を、色毎に異なる方向に導く。液晶表示素子（ＴＦＴ基板）１８は２層マイクロレンズアレイ４０の光源とは反対側に配置され、２層マイクロレンズアレイ４０を透過した光を制御する。集光レンズ２５は液晶表示素子１８からの光を投影レンズ２０に集め、投影レンズ２０は投影スクリーン２１に映像を投影する。
【００３８】
ここで、液晶表示素子１８と２層マイクロレンズアレイ４０とについて、図３を用いてより詳しく説明する。図３は液晶表示素子１８と２層マイクロレンズアレイ４０との断面図である。
【００３９】
２層マイクロレンズアレイ４０は、透明基板７に第１マイクロレンズアレイ（マイクロレンズ）１を形成し、さらに中間基板２を積層し、中間基板２に第２マイクロレンズアレイ５を有している。
【００４０】
また、液晶表示素子１８は、第２マイクロレンズアレイ５に接する側から、液晶層３０と基板３２を有している。液晶層３０の第２マイクロレンズアレイ５側にはブラックマトリックス１４がある。また液晶層３０の基板３２側には画素３１がある。
【００４１】
第１マイクロレンズアレイ１は、上述したように、あらかじめ所定の角度差を持って互いに分離した３原色の入射光束（Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）を、対応する３画素の各組へ向けて集光する。一方、第２マイクロレンズアレイ５は、互いに対応する第１マイクロレンズアレイ１と３画素の組との間に介在し、第２マイクロレンズアレイ５の光軸に対して傾斜した入射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。
【００４２】
このような２層マイクロレンズアレイ４０を用いた装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上するだけでなく、２層マイクロレンズアレイ４０を通過した後の各色の主光線が略平行になり、投影レンズに達するまでの各色の主光線の拡がりが小さく、投影レンズでのケラレによる光量低下がなく、極めて明るい画像を提供することができる。
【００４３】
次に、２層マイクロレンズアレイ４０を作製する方法について、図４を用いて、本発明の前提となる２層マイクロレンズアレイ４０の作製方法を説明する。
【００４４】
この方法では、第１マイクロレンズアレイ１を用いて第２マイクロレンズアレイ５のレンズ形状をパターニングする。つまり、第１マイクロレンズアレイ１の焦点位置付近に形成されたレジスト層３を、第１マイクロレンズアレイ１を介した光にて露光してパターンを形成することで第２マイクロレンズアレイ５を作製するのである。これにより、第１マイクロレンズアレイ１を構成する各レンズの光軸と第２マイクロレンズアレイ５を構成する各レンズの光軸とを互いに一致させることができるため、光軸合わせを簡単化し、作製工程を簡略化している。
【００４５】
図４は、２層マイクロレンズアレイ４０を形成する工程の概略を段階的に表した断面図である。
【００４６】
まず、図４（ａ）に示すように、周知の方法により第１マイクロレンズアレイ１を透明基板７に形成し（マイクロレンズ形成工程）、この透明基板７の第１マイクロレンズアレイ１が形成された面に、中間基板２として石英を貼り付ける。このとき、第１マイクロレンズアレイ１の各マイクロレンズはその焦点位置が、中間基板２の表面に略位置するように設計されている。そして、この中間基板２の表面に感光性材料としてネガ型のフォトレジストを塗布し、レジスト層（感光性樹脂層）３を形成する（感光性樹脂層形成工程）。なお、レジスト層３は、後述する第２マイクロレンズアレイ５の型となるとなるので、レジスト層３の厚さは第２マイクロレンズアレイ５の厚さ以上に設定しておく必要がある。
【００４７】
次に、図４（ｂ）に示すように、このレジスト層３に対し、第１マイクロレンズアレイ１を介して紫外光平行光４を照射する（露光工程）。ここで、上述したように、第１マイクロレンズアレイ１のマイクロレンズ焦点は中間基板２の表面（つまり、中間基板２とレジスト層３との境界面）に位置しているので、紫外光平行光４は第１マイクロレンズアレイ１によってレジスト層３で一点に集光される。そして、この集光スポットによってレジスト層３が露光される。
【００４８】
このとき、露光時間、あるいは露光光強度を制御することで、集光スポット位置のレジスト層３に所望の露光量を与えることができる。さらに、この集光スポットは第１マイクロレンズアレイ１への紫外光平行光４の入射角を変えることで移動する。したがって、第１マイクロレンズアレイ１に入射する紫外光平行光の入射角を変化させながら、各点における露光量を制御することでレジスト層３内部に所望の露光量分布を与えることができる。これにより、レジスト層３を露光量に応じた所望の形状に硬化させられる。
【００４９】
そして、この露光工程の後に現像処理を行うことで、露光量分布に応じた形状がレジスト層３に形成され、マイクロレンズ型５’ができる（図４（ｃ））。
【００５０】
さらに、このようにして得られたマイクロレンズ型５’にドライエッチングを行うことで、下地となる中間基板２にマイクロレンズ型５’を転写することができ、これにより第２マイクロレンズアレイ５が形成される（図４（ｄ））。
【００５１】
ここで、ドライエッチングの方法としては、反応性イオンエッチングやイオンミリングなどの方法が挙げられる。この時、エッチング条件の選択によって、マイクロレンズ型５’の厚みを拡大することもできる。
【００５２】
例えば、マイクロレンズ型５’と中間基板２とのエッチング選択比が１：２となるようなエッチング条件を選択すると、マイクロレンズ型５’の厚みは中間基板２へ転写した後には２倍となる。例えば、中間基板２が石英からなり、レジスト層３と石英のエッチング選択比が１：２となるようなエッチング条件を選択すると、レジスト層３において厚み５０μｍのマイクロレンズ型５’は、中間基板２においては厚み１００μｍの第２マイクロレンズアレイ５に拡大される。
【００５３】
以上の工程によって、第１マイクロレンズアレイ１の上面に第２マイクロレンズアレイ５が形成される。
【００５４】
このように、本実施の形態では、第１マイクロレンズアレイ１を用いて第２マイクロレンズアレイ５のレンズ形状をパターニングしている。すなわち、第１マイクロレンズアレイ１焦点位置付近に形成されたレジスト層３を、第１マイクロレンズアレイ１を介して露光してマイクロレンズ型５’を形成することで、第１マイクロレンズアレイ１を構成する各レンズの光軸とマイクロレンズ型５’の光軸とを互いに一致させることができる。
【００５５】
さらに、これらの工程に続いて、マイクロレンズ型５’をエッチングすることで第２マイクロレンズアレイ５を形成する（転写工程）。これにより、容易に第１マイクロレンズアレイ１と第２マイクロレンズアレイ５との光軸を一致させることができる。よって、２層マイクロレンズアレイ４０の光軸合わせを簡単化し、作製工程を簡略化することができる。
【００５６】
次に、上記露光工程における露光条件について、以下に説明する。なお、ここでは、図５に示す、投影型液晶表示装置用２層マイクロレンズアレイ４０を形成する露光方法について説明する。図５の２層マイクロレンズアレイ４０の第２マイクロレンズアレイ５の凸部は、互いの直交するＸ・Ｙ方向において、Ｘ方向の断面が台形形状であり、Ｙ方向の断面は矩形形状、つまり凸部が略垂直な壁面４７を有している。
【００５７】
上述した第１マイクロレンズアレイ１を用いた露光によるパターン形成法においては、露光量の対数に比例して硬化するレジスト層３が厚くなるので、膜厚分布に応じた露光量分布を与えることで、厚さを変化させることができる。この方法は、図５のＸ方向の断面の形状のような、断面が台形形状となるパターン、あるいは球面など、連続的に厚さが変化するパターン形状については、露光量に応じて正確に厚さを変えて形成することができる。
【００５８】
しかし、図５のＹ方向断面に示すように、透明基板７に対し略垂直な壁面４７を有するパターン形状、すなわち、高さが急激に変化するパターン形状を形成することは難しい。つまり、上記方法において、露光量を急激に変化させたとしても、必ずしも露光量分布に応じて急激に高さが変化するパターンが形成できないのである。
【００５９】
これは、レジスト層３は第２マイクロレンズアレイ５の形状に応じた厚さが必要であり、このような厚みのあるレジスト層３においては、第１マイクロレンズアレイ１により集光された光スポットがレジスト層３の厚み方向全体に渡って焦点を結ぶことができないためである。これにより、垂直方向に切り立った壁面を有する形状を形成しようとした場合に、厚みが急激に増す壁面部分での露光が十分に行えず、壁が傾斜するという問題が生じてしまう。また壁が傾斜することにより、パターニングされた構造物は先端になるほど幅が細くなり、所望の形状を得ることができないという問題が生じる。
【００６０】
具体的に説明すると、図６は、上記のパターン形成方法において、露光量を急激に変化させた露光量分布にてパターンを形成したときの露光量分布（図６（ａ））と、この露光量分布によって得られたパターンの形状（図６（ｂ））を示したものである。なお、ここではレジスト層３はネガレジスト（ネガ型感光性樹脂）からなるものを使用している。また、図１，６〜８のグラフにおけるＸ軸は、レジスト層３における位置を示しており、図５における２層マイクロレンズアレイ４０のＹ方向の位置に対応している。そして、Ｙ軸の露光量は、位置に対応する露光量を示しており、Ｙ軸のパターン高さは位置における露光、現像後の凹凸の厚さを示している。
【００６１】
透明基板７に垂直な矩形の突起パターンを形成しようとした場合、図６（ａ）に示すように、Ｘ軸の示す位置における凹部となる部分４５で一定の露光量Ｉｘを露光し、凸部となる部分４６でＩｘより大きい一定の露光量Ｉｓを露光することが考えられる。つまり、２種類の露光量を用いて、凹部と凸部との境で不連続に露光量を増大させる。ここで、露光量ＩｘとＩｓとの差は、使用した感光性樹脂と露光の光において、露光量と感光性樹脂の硬化する厚さとの関係から導き出された、所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差である。
【００６２】
しかし、このような露光量分布により実際に得られる凸部パターンは、透明基板７に対して略垂直な壁面を有するパターンではなく、図６（ｂ）に示すように、壁面に傾斜がついた、断面が台形状のパターンである。これは、露光量がＩｘからＩｓに切り替わる部分で、露光量の変化がパターン形状に正確に反映されず、凸部のエッジ部分が他よりも低くなるためである。また、このため矩形パターンの上面の幅が本来の設計値よりも小さくなってしまう。
【００６３】
そこで、本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸の示す位置における凸部のエッジ部（凸部の縁）となる部分４１ａにおける露光量を上記Ｉｓよりも増加量１０だけ増加させたＩｙとする。これにより、図１（ｂ）に示すように、凹部と凸部との境界の内外で、露光量の差がより大きくなり、露光量分布の立ち上がりが急峻になるため、突起壁部の透明基板７に対する角度が略９０度になる。
【００６４】
なお、凸部の中心４１ｂとなる部分での露光量Ｉｚは、露光量Ｉｙよりも低くする。さらに、凸部のエッジ部４１ａとなる部分における露光量ＩｙからＩｚへの変化は連続的なものとすることが好ましい。これにより、凸部のエッジ部４１ａと凸部の中心４１ｂと間で厚さの差が出にくくなる。
【００６５】
この増加量１０はレンズの集光特性や焦点位置、あるいはレジストの露光感度や解像度により異なるので、適切な値に設定すればよいが、露光量Ｉｙを露光量Ｉｚの１．５倍以上４倍以下とするのが好ましい。このように露光量を設定することで図１（ｂ）に示すように、凸部のエッジ部が低くなることなく透明基板７に垂直な凸部の壁面４７を得ることができる。
【００６６】
エッジでの露光量ＩｙをＩｚの１．５倍より小さくすると、壁面４７が傾斜してしまう。また、エッジでの露光量ＩｙをＩｚの４倍より大きくすると、レジスト残膜厚が所望の値より大きくなり、エッジが盛り上がってしまう。
【００６７】
なお、このような露光量の補正は矩形断面に限らず、略垂直な壁面を有するパターンを形成する際に共通に応用可能である。
【００６８】
また、エッジ部の露光量Ｉｙを増加させた場合、矩形エッジ部の形状が改善されると共に、凸部の上面全体の膜厚が若干増加する。そこで、凸部のエッジ部以外の（凸部中心の）露光量を露光量Ｉｓよりも小さい露光量Ｉｚとし、凸部となる部分４１全体の露光量（図１の凸部となる部分４１内における実線で示す露光量）の平均が、上記露光量Ｉｓ（図１の破線で示された部分）と等しくなるように調整することが好ましい。このように露光量分布を設定することで、露光量の増加量１０が相殺されて、所望の高さの凸部を形成することができる。
【００６９】
また、感光性材料としてポジレジスト（ポジ型感光性樹脂）を用いても良い。この場合、ポジレジストは露光量が多い部分ほど硬化するレジスト膜３の厚さが減少するので、図７（ａ）のように、凸部となる部分４３の露光量をＩｘとし、凹部となる部分４４の露光量を増加させる。このとき、凸部に隣接する凹部となる部分４４ａの露光量Ｉｙを、他の凹部となる部分４４ｂの露光量Ｉｚよりも大きくする。これにより、凹凸形状の壁面となる部分の内外で露光量の差がより大きくなり、露光量分布の立ち上がりが急峻になるため、突起壁部の透明基板７に対する角度が略９０度になる。
【００７０】
なお、ポジレジストを用いた場合、上記他の凹部となる部分４４ｂの露光量Ｉｚを露光量Ｉｓよりも小さい露光量Ｉｚとし、凹部となる部分４４全体の露光量（図１の凹部となる部分４４内における実線で示す露光量）の平均が、上記露光量Ｉｓ（図１の破線で示された部分）と等しくなるように調整することが好ましい。このように露光量分布を設定することで、露光量の増加量が相殺されて、所望の高さの凸部を形成することができる。
【００７１】
ここで、断面が矩形パターンのように、所望のパターン中に凸部のエッジより厚い部分が存在しない場合は、はじめに形成するレジスト層３の厚さを、凸部の高さに等しくすることが好ましい。これにより、凸部の厚さの制御がしやすくなる。特にレジスト層３がネガレジストからなる場合、エッジ部の露光量を増大させても、レジスト層３の厚さより厚くならないので、エッジが盛り上がることはなくなる。この場合、過剰に露光量を増加させても所望の凸部パターンを形成することができるので、上記露光量の制限は必要なくなる。
【００７２】
このように露光量を補正することで、レジストパターン凸部のエッジが低くなる現象を回避することができる。これにより壁部４７の傾斜も改善され、厚みが急激に変化するパターン形状の作製が可能となる。
【００７３】
また本実施の形態では、中間基板７として石英を用いたが、中間基板７は露光が透過するものならば良く、中間基板の上にさらに樹脂や他の無機誘電体（例えばガラス等）の層を形成したものを用いても良い。
【００７４】
なお、レジスト層３の感光性材料としては紫外線硬化樹脂を用いることで、転写工程でドライエッチングを行ってパターンを転写することなく、レジスト層３に形成されたパターンをそのままマイクロレンズ等として用いることが可能である。
【００７５】
以上、本実施の形態のパターン形成方法は、液晶プロジェクタ用の２層マイクロレンズアレイを作製する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、基板上に備えられたマイクロレンズを介した光を用いて感光性材料の層を露光することで、マイクロレンズの焦点位置に３次元構造物を形成する加工方法全般に利用可能なものである。具体的には、光通信における光導波路や、光記録装置における組み合わせレンズ、またはプリズムシート等の作製にも利用できる。
【００７６】
また、本発明のパターン形成方法は、マイクロレンズアレイのような凹凸を有するものを作製する場合にのみ用いられるものでなく、基板に対して略垂直な壁面を有するパターンであれば、例えば、突起や溝部を形成する場合や階段状のパターンを形成する際にも応用可能である。
【００７７】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７８】
また本発明は、透明基板上に、マイクロレンズアレイ、中間基板及び感光性樹脂層を順に形成する工程と、マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程と、上記露光工程によって感光性樹脂層に基板に対して略垂直な壁構造を含んでいる３次元構造の形成方法であって、上記露光工程は、上記壁構造の境界における壁構造上端の露光量と壁構造下端の露光量の差を、壁構造の高さに対応した壁構造上端部の露光量と壁構造下端部の露光量の差よりも増大させることを特徴とする第１の３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００７９】
また本発明は、上記の特徴に加え、上記感光性樹脂にポジ型感光性樹脂を用いる場合には、上記露光工程は、上記壁構造に隣接する谷部分の露光量を、谷の深さを得るために必要な露光量に対して増加させることを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８０】
また本発明は、上記第１の３次元構造物形成方法の特徴に加え、上記感光性樹脂にネガ型感光性樹脂を用いる場合には、上記露光工程は、上記壁構造のエッジ部分の露光量を、壁高さを得るために必要な露光量に対して増加させることを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８１】
また本発明は、上記の特徴に加え、上記壁構造の境界部における露光量の増加分だけ、上記境界部以外の露光量の総和を減少させ、３次元構造形成領域全体における露光量の総和を一定に保つことを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８２】
また本発明は、上記の特徴に加え、中間基板上に形成する感光性材料層の厚さを、所望の３次元構造物の厚さと等しくすることを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８３】
また本発明は、上記の特徴に加え、上記感光性樹脂層としてネガレジストを用いて矩形状の断面を持つ３次元構造物を作製する３次元構造物形成方法として、エッジ部分の露光量を矩形上面の中央部分の露光量の１．５倍以上４倍以下とすることを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８４】
また本発明は、上記の特徴に加え、上記感光性樹脂層はネガレジストであり、マイクロレンズアレイを介して上記レジスト層をパターニングし、さらにネガレジスト側からドライエッチングを行うことでネガレジスト層形状を上記中間基板に転写することを特徴とする３次元構造物形成方法であると換言できる。
【００８５】
【実施例】
ここで、具体的に図５に示す２層マイクロレンズ４０としてＹ方向の断面形状が図８に示すような壁面が透明基板７に略垂直な凹凸パターンの形成について説明する。ここでは、凸部の厚さを３０μｍ、凸部の幅５０を２１μｍ、凹部の厚さ５１を５μｍとしたパターンの形成を試みた。
【００８６】
まず、第１マイクロレンズアレイ１を有する透明基板７に、中間基板２を配した。そして、中間基板２表面に、感光性材料として、市販のネガ型フォトレジスト材料（ＪＳＲ社製ＴＨＢ−１２０Ｎ）を塗布し、スピンコータで厚さ３０μｍのレジスト層３を形成した。なお、第１マイクロレンズアレイ１の焦点距離は約３０μｍで、その焦点は中間基板２の表面からレジスト層３の内側５〜１０μｍの間に位置している。
【００８７】
この条件において、計算上、所望のレジスト厚さ３０μｍが得られる露光量Ｉｓを凸部を形成したい部分に対して均一に露光し、レジスト厚さ５μｍが得られる露光量Ｉｘを凹部を形成したい部分に対して均一に露光した場合、得られるパターンの壁面の中間基板２に対する傾斜は約１０°の傾斜であった。
【００８８】
これに対し、露光量Ｉｓを凸部を形成したい部分に対して均一に露光した時と凸部における露光量の総和を変えずに、かつ、凸部のエッジ部分となる個所で凸部の中央部分となる個所の３倍になるように設定したとき、パターンの壁面の中間基板に対する傾斜が約４°と垂直に近くなり、改善された。
【００８９】
またエッジ部分の露光量を更に増加させ、凸部の中央部分となる個所の４倍以上とした場合、突起の壁面の下部分の幅が所望の幅より大きくなり、パターン壁面の中間基板に対する傾斜が約８°と大きくなってしまった。よって、この条件においてはエッジ部分における露光量を中央部分における露光量の３倍に設定することが最も効果的であった。
【００９０】
【発明の効果】
本発明のパターン形成方法は、以上のように、露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部の縁となる部分における露光量と、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量との差を、所望の凹凸の高さを形成するために必要な露光量の差よりも大きくする方法である。
【００９１】
また本発明のパターン形成方法は、上記感光性樹脂層がポジ型感光性樹脂からなり、上記露光工程において、上記感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凸部となる部分から凹部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部に隣接する凹部となる部分における露光量を、凹部となるその他の部分の露光量より増大させる方法である。
【００９２】
また本発明のパターン形成方法は、上記感光性樹脂層がネガ型感光性樹脂からなり、上記露光工程において、感光性樹脂層における、上記凹凸形状の凹部となる部分から凸部となる部分へと露光量を不連続的に増大させ、さらに、凸部の縁となる部分における露光量を、凸部の中心となる部分の露光量より増大さ方法である。
【００９３】
これによれば、２層のマイクロレンズの生産性を向上させるとともに、露光量を切り換える個所での露光量の変化がより急峻になるので、パターニングされた凹凸の壁面を略垂直とすることが可能となる。
【００９４】
また本発明の３次元構造物の形成方法は、上記露光工程において、上記凸部となる部分の平均露光量と、凹部となる部分の平均露光量との差を、所望の突起の高さを形成するために必要な露光量の差と等しくする方法である。
【００９５】
これにより、露光量分布を設定することで、所望の厚さの凹凸形状を得ることができる。
【００９６】
また本発明の２層構造マイクロレンズは、上記パターン形成方法により得られる方法である。
【００９７】
これにより、容易に同光軸上に配された、透明基板と略垂直な壁面を有する２層のマイクロレンズが形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の方法により、ネガレジストを用いて２層マイクロレンズを製造する方法を示す図面であり、（ａ）が露光量分布を示し、（ｂ）がこの露光量分布により得られるパターンを示している。
【図２】本発明の実施の形態に係る２層マイクロレンズを備えた投影型液晶表示装置の概略の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る２層マイクロレンズと液晶表示素子とを示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る２層マイクロレンズの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る２層マイクロレンズを示す斜視図である。
【図６】ネガレジストを用いて２層マイクロレンズを製造する方法の比較例を示す図面であり、（ａ）が露光量分布を示し、（ｂ）がこの露光量分布により得られるパターンを示している。
【図７】本発明の実施の形態の方法により、ポジレジストを用いて２層マイクロレンズを製造する方法を示す図面であり、（ａ）が露光量分布を示し、（ｂ）がこの露光量分布により得られるパターンを示している。
【図８】本実施例に係る２層マイクロレンズのパターンを示す図面である。
【符号の説明】
１  第１マイクロレンズアレイ（マイクロレンズ）
２  中間基板
３  感光性樹脂層（レジスト層）
４  紫外光平行光
５  第２マイクロレンズ
５’第２マイクロレンズ型（凹凸形状）
７  透明基板
１４  ブラックマトリックス
１５Ｇ、１５Ｒ、１５Ｂ  ダイクロイックミラー
１６  白色光源
１７  球面反射鏡
１８  液晶表示素子
１９  コリメートレンズ
２０  投影レンズ
２１  投影スクリーン
２５  集光レンズ
３０  液晶層
３１  画素
３２  基板
４０  ２層マイクロレンズアレイ
４１、４３  凸部となる部分
４１ａ  凸部の縁となる部分
４１ｂ  凸部の中心となる部分
４２、４４  凹部となる部分
４４ａ  凸部に隣接する凹部となる部分
４４ｂ  凹部となるその他の部分
４７  壁面
【図１】
2005055549.tif 000003
【図２】
2005055549.tif 000004
【図３】
2005055549.tif 000005
【図４】
2005055549.tif 000006
【図５】
2005055549.tif 000007
【図６】
2005055549.tif 000008
【図７】
2005055549.tif 000009
【図８】
2005055549.tif 000010